近日，由中國海洋大學深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心張紹晴教授、吳立新院士和高陽教授團隊，聯(lián)合清華大學/國家超算無錫中心徐世明副教授、傅昊桓教授及劉釗高級工程師，并與中國科技大學等多家單位院所合作，通過引進消化、吸收發(fā)展的技術路線，依托最新研制的“神威”異構眾核高性能超強計算機，改進通用地球系統(tǒng)模式的動力框架和并行算法，成功研發(fā)了分辨率高達大氣5千米（也包括12和9千米）、海洋3千米（也包括15、10和5千米）的系列耦合地球系統(tǒng)模式，成果以“神威異構眾核高性能計算機上云和亞中尺度解析的耦合地球系統(tǒng)模式研發(fā)”為題，發(fā)表于《國家科學評論》（NationalScienceReview,NSR），彰顯了地球系統(tǒng)數(shù)值模擬領域的最新前沿進展。

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地球系統(tǒng)模式將地球表面的海洋、大氣、陸面和海冰等，劃分成微小的流體單元，根據(jù)地球流體的動力學和熱力學方程，加上大氣化學及海洋生物地球化學過程，計算每一個流體單元的質量和能量收支，從而在超級計算機里模擬地球流體、地球生態(tài)環(huán)境等地球系統(tǒng)的自然演變，是一整套數(shù)據(jù)和計算機代碼集。地球系統(tǒng)模式一旦與實際觀測系統(tǒng)相結合，便能從當前狀態(tài)出發(fā)獲得未來狀態(tài)的演變，形成對未來人類生存環(huán)境的預測，是整合觀測分析和理論研究成果、推動地球科學發(fā)展的科研平臺，也是地球科學基礎科研成果的應用出口、為社會經(jīng)濟建設和軍事建設做好環(huán)境安全保障服務的基礎應用平臺。我國自主研制的“神威”異構眾核超算具有強大的計算能力，為高精度地球系統(tǒng)模式的研發(fā)提供了強有力的支撐。科研團隊針對傳統(tǒng)海洋三級網(wǎng)格過渡帶不連續(xù)問題，引入并發(fā)展了新的海洋網(wǎng)格系統(tǒng)，格距連續(xù)變化的新型海洋格點體系（圖1）使研發(fā)千米級高分辨率耦合模式成為可能、并可持續(xù)提高分辨率。同時，通過發(fā)展符合地球物理規(guī)律的計算方案，科研團隊解決了高分辨率耦合積分不穩(wěn)定性問題。

圖1左：經(jīng)向格距不連續(xù)的傳統(tǒng)三級網(wǎng)格格點；右：格距連續(xù)演變、適合高分辨率模式持續(xù)發(fā)展的新型三級網(wǎng)格格點

新研發(fā)的高分辨率地球系統(tǒng)模式能在一定程度上描述海洋亞中尺度（圖2）和大氣積云（圖3）活動，能改進熱帶氣旋和渦流相互作用的模擬，從而抓住大氣海洋中的主要極端天氣氣候現(xiàn)象。例如，由于復雜海底地形和海陸界面及海表強迫等的影響，海水運動是從米到千公里的多尺度相互作用過程，包含能量串級（從較大尺度向較小尺度傳輸）和能量逆串級（從較小尺度向較大尺度傳輸）。當高分辨率的海洋模式大幅度提高海洋亞中尺度渦旋統(tǒng)計特征時，能更加準確地模擬地球系統(tǒng)中的多尺度相互作用過程。

圖215、10和3千米分辨率海洋模式模擬的中尺度和亞中尺度渦旋統(tǒng)計

圖325千米里大氣和10千米海洋（25v10）及5千米大氣和3千米海洋（5v3）分辨率地球系統(tǒng)模式模擬的熱帶氣旋結構

該系列高分辨率耦合地球系統(tǒng)模式能滿足地球系統(tǒng)多尺度研究需求，為快速推進完全解析云和海洋亞中尺度活動的地球系統(tǒng)模式研發(fā)奠定堅實基礎，為實現(xiàn)局地細節(jié)性大氣海洋過程的準確模擬及天氣氣候無縫隙模擬預測提供重要支撐。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

通訊員：侯霞

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad069

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